热晶体管无需移动部件 即可冷却芯片

H-LAB/UCLA

电子晶体管是现代电子学的核心。这些设备精确地控制电流，但在这样做的过程中，它们会产生热量。现在，加州大学洛杉矶分校的研究人员开发了一种固态热晶体管，这是同类设备中第一种可以利用电场控制热量通过电子设备流动的设备。他们的研究最近发表在《科学》杂志（https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo4297?adobe_mc=MCMID%3D80093549277727036801369131698673845939%7CMCORGID%3D242B6472541199F70A4C98A6%2540AdobeOrg%7CTS%3D1699466887）上，展示了这项新技术的能力。

该研究的主要作者、加州大学洛杉矶分校机械和航空航天工程教授Yongjie Hu表示：“工程师和科学家一直强烈希望像控制电子设备一样控制传热，但这非常具有挑战性。”

从历史上看，电子产品都是用散热器冷却的，散热器被动地吸收多余的热量。也有人提出了更积极的热管理方法，但这些方法通常依赖于移动部件或流体，可能需要很长时间——通常是几分钟到几个小时——才能提高或降低材料的热导率。有了热晶体管，研究人员可以更快、更精确地主动调节热流。这种速度使其成为了管理电子设备热量的一种很有前途的选择。

与电子晶体管类似，加州大学洛杉矶分校小组的热晶体管也使用电场来调制通道的电导，在这种情况下是热导而不是电导。这是通过研究人员设计的笼状分子薄膜完成的，该薄膜充当晶体管的沟道；施加电场使薄膜中的分子键更强，从而增加了薄膜的热导率。“我们的发现实际上只有一个分子薄，”加州大学洛杉矶分校化学、生物工程和材料科学教授、该研究的合著者Paul Weiss说。

有了这个单分子层，研究人员能够在超过1兆赫的频率下达到电导率的最大变化，比其他热管理系统快几个数量级。分子运动通常控制其他类型的热开关中的热流。但Weiss解释说，与电子的运动相比，分子的运动相当缓慢。通过利用电场，研究人员能够加快从millihertz到megahertz频率的转换。

分子运动也不能在开启状态和关闭状态之间实现如此大的热导率差。相比之下，加州大学洛杉矶分校的设备实现了13倍的差异。Weiss说：“无论是在数量还是速度上，这确实是一个巨大的差异。”

有了这些改进，该设备对冷却处理器可能很重要。晶体管在半导体方面尤其有前景，因为与其他主动能量耗散途径相比，它们只需少量的功率就能控制热流。Hu说，许多热晶体管也可以像电子晶体管一样集成在同一块芯片上。

特别是，热晶体管可以在新的半导体设计中有效地管理热量，例如在3D堆叠的小芯片中，它们可以减少热点，从而在小芯片的设计中允许更多的自由度。Hu说，它们还可以帮助冷却由氮化镓和碳化硅等宽带隙半导体制成的电力电子产品。

除了这些在电子学中的应用，加州大学洛杉矶分校的研究人员在热晶体管方面的工作还可以深入了解活细胞如何调节温度的分子水平机制。Hu认为，在我们的细胞中，热流和电势之间可能存在类似的作用。在另一个正在进行的项目中，他正在研究离子通道的机制，离子通道是作为控制离子在细胞膜上流动的闸门的蛋白质。Hu表示，当谈到人体内的热流时，“生理学上已经建立了宏观的图景；然而，分子水平的机制在很大程度上仍然未知。”

马德里材料科学研究所的高级研究员Miguel Muñoz Rojo说：“我认为我们生活在一种热复兴中。”

Muñoz Rojo对热晶体管增加热管理技术库存的可能性感到兴奋，并对将其用于广泛的大规模应用的可能性感兴趣，如制冷，以及电子产品的纳米级冷却。他和他的同事、斯洛文尼亚卢布尔雅那大学热能工程教授Andrej Kitanovski正在共同开发这些热管理技术。对于Muñoz Rojo来说，这种潜在用途使热敏晶体管成为热管理技术的巅峰。

休斯顿莱斯大学机械工程助理教授Geoff Wehmeyer表示，这项技术的演示是一个令人兴奋的进步，可能会激励更多的基础研究。“看看热能工程师是否能找到将这些分子热开关集成到电子或电池的可切换热管理系统中的方法，这将是一件有趣的事情。”

虽然这一概念的证明很有希望，但加州大学洛杉矶分校的研究人员承认，这项技术仍处于早期发展阶段。Hu说，今后他们的目标是进一步提高该设备的性能。